奥地利科学院生物学家Sasha Mendjan和团队使用人类多能干细胞培养出芝麻大小的心脏模型，又称心脏线。它可以自发地进行组织，在不需要实验支架的情况下发展出一个中空的心房。这项进展使得科学家创造出一些迄今为止最真实的心脏类器官。相关研究5月20日发表于《细胞》。
此前，科学家已经制造出3D心脏类器官，这种方法通常需要组装细胞和支架，就像用砖块和砂浆建造房子一样。但是，这些类器官不能像人类心脏那样对损害做出响应，因此往往不能作为良好的疾病模型。
“组织工程学在很多方面都非常有用，比如测量心脏收缩。”Mendjan说。但在自然界中，器官不是这样形成的。在胚胎时期，器官通过一个叫做自组织的过程自发地发育。在该过程中，细胞模块能相互作用，并随着器官结构的出现和生长四处移动和改变形状。
“自组织是自然界形成雪花晶体或鸟类群体行为的方式。这很难设计，因为似乎没有计划，但仍有一些非常有序和稳健的东西出现了。”他说，“器官的自组织更有活力，很多事情我们不了解。我们认为这种‘隐藏的魔法’式发展，是目前疾病没有被很好地建模的原因。”
Mendjan团队想要在培养皿里模拟自组织发育。他们以特定的顺序激活所有参与胚胎心脏发育的6个已知信号通路，诱导干细胞自我组织。随着细胞分化，它们开始形成不同的层——类似心脏壁的结构。经过一周的发育，这些类器官自组织成一个有封闭腔的3D结构，几乎重现了人类心脏的自发生长轨迹。此外，研究小组还发现心脏壁状组织能有节奏地收缩，挤压腔内的液体。
“这并不是说我们在使用与其他研究人员不同的东西，而是我们在使用所有已知的信号。”Mendjan补充说。一直以来，研究人员认为并非需要所有途径来直接引导干细胞成为心脏细胞，“所以他们想，‘好吧，它们在体外没有必要。’但事实证明，所有途径都是必要的。它们对细胞自我组织成器官非常重要。”
该团队还测试了心脏类器官对组织损伤的反应。他们用一根冷钢棒冷冻部分心脏，并杀死该部位的许多细胞。细胞死亡通常是在诸如心脏病发作等损伤后观察到的。研究小组立即发现，心脏成纤维细胞（一种负责伤口愈合的细胞）开始向损伤部位迁移，并产生修复损伤的蛋白质。
“我们希望该心脏模型能更自然地发展，从而预测疾病。”Mendjan说，“通过这种方式，制药公司更愿意将更多药物引入临床试验，因为他们对试验结果能更确定。”
该团队计划培育具有多个腔室的心脏类器官，就像真正的人类心脏那样。许多先天性心脏病发生在心室开始形成的时候，所以多腔模型将帮助医生更好地了解缺陷是如何在胎儿中发展的。
相关文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.034
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